超聲波法在電連接器接觸壓力測試中的應(yīng)用

駱燕燕， 馮郁竹， 郝 良， 劉昕昊， 劉 碩

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室， 天津 300130； 2.國家電網(wǎng) 北京市電力公司， 北京 100031)

1 引 言

電連接器是用來實現(xiàn)電氣和信號通斷的基礎(chǔ)元件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、國防等軍用和民用系統(tǒng)中，其可靠性的高低對電氣設(shè)備的性能好壞、系統(tǒng)的安全可靠運行有重要的影響[1]。

電連接器的可靠接觸是通過接觸件間穩(wěn)定的接觸壓力實現(xiàn)的，接觸壓力是電連接器的重要性能指標(biāo)之一。由于結(jié)構(gòu)特點及接觸件(插針與插孔)過盈配合的插合方式，電連接器接觸壓力的測量存在較多困難。

接觸壓力的傳統(tǒng)測試方法主要有以下幾種[2～8]：(1)用測克砝碼加上標(biāo)準(zhǔn)插針來檢測接觸壓力，這實際上是檢測摩擦力而得到壓力值，準(zhǔn)確度和精度都不太理想；(2)通過傳感器元件測量(如壓敏元件、力敏元件等)，不能實現(xiàn)極小量程的測量，操作相對繁瑣，且對檢測件有一定的“破壞”作用；(3)間接測量方法，如通過測量插孔的應(yīng)變量，再由接觸壓力與接觸應(yīng)變間的關(guān)系得到接觸壓力；(4)采用先進的光學(xué)方法測量，如用激光散斑干涉法測量電連接器“鐮刀型”接觸簧片接觸壓力，其測量足夠準(zhǔn)確但是測試操作步驟較復(fù)雜。

借鑒超聲波法在厚度、流量、位移檢測及無損探傷等方面的成功應(yīng)用經(jīng)驗[9,10]，本文用超聲波法測試電連接器的接觸壓力，以解決封閉式緊密配合的電連接器接觸件接觸壓力的無損檢測技術(shù)問題。

2 接觸壓力的超聲波法檢測原理

2.1 超聲波波速與應(yīng)力的關(guān)系

在彈性體中傳播，超聲波的傳播速度只與材料的力學(xué)性能有關(guān)，材料的應(yīng)力發(fā)生變化，相應(yīng)地超聲波波速發(fā)生改變[11]。由于連接器接觸件間的接觸壓力主要表現(xiàn)在徑向方向上，且考慮到超聲波衰減度和對應(yīng)力的靈敏度，本文選擇縱波法進行測試。

超聲波縱波在介質(zhì)中的傳播速度V與應(yīng)力σ間關(guān)系為[12～14]：

(1)

式中：V為超聲波縱波傳播波速；ρ0為超聲波傳播介質(zhì)在不受應(yīng)力情況下的密度；λ、μ為材料的二階彈性系數(shù)；l、m為三階彈性系數(shù)。

若式(1)中的應(yīng)力值等于零，就可得到被測固體材料沒有應(yīng)力存在時的超聲波縱波波速：

(2)

將式(2)代入式(1)，進行恒等變形后可得：

(3)

式(3)中，二階彈性系數(shù)與三階彈性系數(shù)均為常數(shù)，則有：

(4)

式中：

對式(4)兩邊求導(dǎo)可得：

(5)

式(5)即是應(yīng)力變化引起超聲波速度變化的關(guān)系表達式。通常情況下，V和V0是近似相同的，故可將波速變化視為一階無窮小，則式(5)便可簡化為：

(6)

由式(6)可見，超聲波傳播速度的改變與傳播介質(zhì)中應(yīng)力的變化量成正比，應(yīng)力的大小與外界施加壓力大小成正比，因此可知，壓力增加，應(yīng)力增大，超聲波傳播速度加快；反之，應(yīng)力減小時，超聲波的傳播速度會降低。如果讓超聲波在被測物體中沿固定的路徑傳播，則根據(jù)在同一路程內(nèi)超聲波傳播速度和時間的反比關(guān)系，式(6)可寫為：

(7)

式中：k為常數(shù)；t0為插針未插入時超聲波的傳播時間；dt為插針插入插孔前后檢測得到的超聲波縱波傳播時間差值。

由式(7)可知，測出超聲波在物體中傳播時間的變化量，即可求得傳播介質(zhì)中的應(yīng)力變化。

2.2 應(yīng)力與接觸壓力的關(guān)系

本文所用的電連接器插孔為劈槽式結(jié)構(gòu)，插孔孔壁前端由4道縱向劈槽平均分成4個接觸簧片，如圖1所示。插孔前端設(shè)計為縮口結(jié)構(gòu)，使連接器的插針與插孔間有足夠大的接觸壓力，因此，插孔中會產(chǎn)生接觸應(yīng)力。

圖1 插孔接觸件實物圖

依據(jù)材料力學(xué)相關(guān)理論，插孔中單個接觸簧片可簡化為集中受力的懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 插孔單個接觸簧片的懸臂梁簡易模型

接觸件間接觸壓力與應(yīng)力間的關(guān)系為[15]：

(8)

式中：F為插孔與插針間的接觸壓力，N；σ為接觸應(yīng)力，MPa；L為插孔接觸簧片長度，mm；W為插孔接觸簧片的寬度，mm；H為插孔接觸簧片的厚度，mm。

由式(7)、式(8)可知，若能測出超聲波在連接器接觸件中傳播時間的變化量，就可以求得接觸件間的接觸壓力值。

3 測試電路設(shè)計

依照超聲波檢測的理論，本文設(shè)計了電連接器接觸壓力的測試電路，基本原理圖如圖3所示。

圖3 連接器接觸壓力測試電路原理圖

連接器接觸壓力的超聲波檢測電路中，單片機控制驅(qū)動電路工作，輸出驅(qū)動信號(負(fù)的高壓尖脈沖/幅值較大的窄脈沖)，激發(fā)超聲波信號發(fā)生器產(chǎn)生超聲波信號；超聲波信號經(jīng)連接器返回的信號由超聲波信號接收器接收，并通過示波器顯示。

超聲波的發(fā)生器與接收器均為超聲波換能器，超聲波的發(fā)生器可將其他形式的能量(如機械能、電磁能、光能等)轉(zhuǎn)變?yōu)槌曊駝幽芰?，向電連接器接觸件插孔中發(fā)射；反射的超聲波信號由超聲波接收器接收，并通過逆壓電效應(yīng)被轉(zhuǎn)換為便于處理的電信號；最后通過示波器進行顯示，由檢測信號波形測算時間。超聲波頻率越低，波長越長，衰減率越低，但也可能會導(dǎo)致信噪比較低，所以本試驗選用頻率為2.5 MHz的超聲波探頭進行測試。

4 實驗數(shù)據(jù)及分析

依照GJB 1217—91《電連接器試驗方法》中規(guī)定的試驗標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，本文對某型號電連接器不同型譜的接觸件接觸壓力的測試結(jié)果如表1所示。

由表1可見，不同型譜的電連接器可按其插孔的直徑分為4類；該結(jié)構(gòu)參數(shù)會直接影響接觸壓力值的大小，即隨插孔直徑的減小，接觸壓力也有所降低；但同一型譜的電連接器不同接觸件的接觸壓力存在一定的分散性。在排除測試誤差后，這種現(xiàn)象可主要歸結(jié)為加工后插孔接觸簧片與插針實際配合的非對稱性和差異性，如圖4所示。

由圖4可見，理想設(shè)計模型中，插孔由劈槽平均分成4個接觸簧片，槽寬相等，接觸簧片成中心對稱分布。而實際上，即使同一型譜產(chǎn)品中(圖4(b))不同插孔的尺寸存在一定差異，甚至同一插孔不同劈槽的寬度，不同接觸簧片相對孔心的位置都存在微小的偏差。在電連接器正常使用初期，這種狀況造成的插針與插孔間配合的微小差異可能不會引發(fā)電接觸失效；但長期使用過程中，由于接觸件間微動現(xiàn)象的存在，尤其是經(jīng)歷若干次插拔操作后，這種微小的差異很可能造成插針插孔磨損的不一致性，從而成為電接觸失效的隱患區(qū)。

圖4 3針圓形電連接器接觸件縮口處插孔狀態(tài)示意圖

5 試驗方法的驗證

為了驗證該超聲波法的正確性和實用性，本文利用SDY2102E型動靜態(tài)應(yīng)變儀測試了3針、4針連接器試品插孔的應(yīng)變值，通過集中受力懸臂梁模型關(guān)系式(9)可求得連接器接觸壓力，

表1 電連接器接觸壓力測試結(jié)果

(9)

式中：F為插孔與插針間的接觸壓力，N；L為插孔接觸簧片長度，mm；E為插孔接觸簧片彈性模量，MPa；i為離插孔接觸簧片根部的距離,mm；Wi為插孔接觸簧片i處的抗彎模量,mm3；εi為插孔接觸簧片i處的應(yīng)變。

將其與表1測試結(jié)果進行了對比分析，見表2。

表2 兩種方法接觸壓力測試結(jié)果對比

由表2可見，兩種測試方法的測試數(shù)據(jù)比較相近，均能有效地測試出連接器接觸壓力值。而在多針連接器檢測中，超聲波法操作更為便捷。

6 結(jié) 論

本文利用超聲波測試原理對電連接器接觸件接觸壓力進行了測試研究。實驗結(jié)果表明：

(1)超聲波檢測法可實現(xiàn)電連接器接觸件接觸壓力的無損檢測，不會對被檢測對象(接觸件)緊密接觸的實際工作狀態(tài)造成破壞。

(2)不同型譜的電連接器接觸壓力值與接觸件的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，隨插孔直徑的減小，接觸壓力有所降低；但同一型譜的電連接器不同接觸件的接觸壓力也存在一定的分散性。這種分散性可能成為導(dǎo)致接觸失效的隱患之一。

本文提出的方法可為電連接器產(chǎn)品型式檢驗以及電接觸性能退化研究中試驗前后試品接觸壓力測試提供一種輔助手段。若能克服超聲波發(fā)生器、接收器探頭尺寸的限制以及測試精度受溫度影響較大的局限性，該方法可以對工作狀態(tài)下的電連接器接觸壓力進行實時檢測研究。

[參考文獻]

[1] 李志博，朱瑪，張高峰.ANSYS在電連接器溫升分析中的應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用與軟件，2011，28(5):89-92.

[2] 蘇竣,王其平.硫化氫氣氛對電連接器接觸可靠性的影響[J].低壓電器,1991，(1):16-19.

[3] 周齊祥.連接器的接觸壓力及其檢測[J].機電元件,1985,(2):60-70.

[4] 毛毳,王世斌,佟景偉,等.一種新型的接觸壓力傳感器[J].實驗力學(xué),1999,14(2):251-255.

[5] 李淑清.連接器中接觸壓力和變形的機械特性的確定[J].機電元件,1982,(1):46-57.

[6] 鄭小平,廖延彪.用于壓力、溫度測量的光纖傳感器[J].清華大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版) ,2000,40(7):74-76.

[7] Blumenroth F, L?bl H, GroBmann S,etal. Influence of Stress Relaxation and Sliding on Long Time Behaviour of Plug — In Power Connectors with Helical Springs [C]//24thInternational Conference on Electrical Contacts (ICEC). 2008: 368-373.

[8] 蘇竣，王其平.電連接器接觸壓力的測量和磨損蛻變模型[J]. 低壓電器,1993,(1):15-18.

[9] 申洪苗，馬希直. 油膜厚度超聲測量方法及實驗研究[J]. 計量學(xué)報,2014,35(1): 25-29.

[10] 方敏, 徐科軍,;汪偉,等. 基于FPGA和DSP的氣體超聲流量計驅(qū)動和數(shù)字信號處理系統(tǒng)[J]. 計量學(xué)報,2017,38(2): 200-204.

[11] 中國機械工程學(xué)會無損檢測分會. 超聲波檢測[M].北京：機械工業(yè)出版社,2011.

[12] 劉凡. 基于傳播聲時的LCR波切向應(yīng)力測量系統(tǒng)實驗研究[D].成都：電子科技大學(xué),2006.

[13] 賀玲鳳，劉軍.聲彈性技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2002. 94-109.

[14] Hughes D S. Ultrasonic velocity in an elastic solid[J].AppliedPhysics,1950,21(3): 294-301.

[15] 佘玉芳. 機電元件技術(shù)手冊[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,1992.169-171.